(57)【要約】【課題】  Ｓｉ含有皮膜を高硬度化させ、硬質皮膜全体の高硬度化、耐剥離性に優れ、耐摩耗性の要求される部材等に最適な硬質皮膜を提供し、この硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材及びその被覆方法を提供する。【解決手段】  基体に硬質皮膜を積層した硬質皮膜被覆部材において、硬質皮膜は最下層と最上層と中間積層部とを有し、最下層はＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂから選択される１種以上の金属元素からなる窒化物主体の硬質皮膜、最上層はＳｉが１０から３０％を含有し、非金属成分としてＮ、Ｃ、Ｏ、Ｂの１種以上を含有する非晶質相を含有し、硬度が４０から８０ＧＰａの高硬度な硬質皮膜、中間積層部は金属元素としてＡｌ及びＳｉを含有し、残部Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｗから選択される１種以上の金属元素からなる窒化物、ホウ窒化物又は炭窒化物の何れかが主体の積層部、該積層部はＡ層とＢ層とが交互に積層される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体に、物理蒸着法により組成が異なる複数層の硬質皮膜を積層した硬質皮膜被覆部材において、該硬質皮膜は基体表面に被覆される最下層と、硬質皮膜の最表面に被覆される最上層と、該最下層と該最上層とに接する中間積層部とを有し、該最下層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂから選択される１種以上の金属元素からなる窒化物主体の硬質皮膜であり、該最上層は、金属元素のみの原子％で、Ｓｉが１０％以上、３０％以下を含有し、非金属成分として、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂの少なくとも１種以上を含有する少なくとも非晶質相を含有し、硬度が４０ＧＰａ以上、８０ＧＰａ未満の高硬度な硬質皮膜であり、該中間積層部は、金属元素としてＡｌ及びＳｉを含有し、残部Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｗから選択される１種以上の金属元素からなる窒化物、ホウ窒化物又は炭窒化物の何れかが主体の積層部であり、該積層部はＡ層とＢ層とが交互に積層され、夫々層厚方向にＡｌ含有量が、金属元素のみの原子％で、該Ａ層は、５％以上、３０％未満の層であり、該Ｂ層は、３０％以上、６０％未満の層であり、該Ａ層と該Ｂ層との層厚さは夫々０．５ｎｍ以上、２０ｎｍ未満であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項２】
請求項１記載の硬質皮膜被覆部材において、該中間積層部の金属元素組成は（ＡｌＸＳｉＹＭＺ）で示され、但し、ＭはＴｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｗから選択される少なくとも１種から成り、Ｘ、Ｙ、Ｚは夫々原子％を示し、該Ａ層は、５≦Ｘ＜３０、５≦Ｙ≦３０、６０≦Ｚ≦８５、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００であり、該Ｂ層は、３０≦Ｘ＜６０、１≦Ｙ≦１５、４０≦Ｚ≦７０、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項３】
請求項２記載の硬質皮膜被覆部材において、該中間積層部の該Ａ層は、１０≦Ｘ≦２５、１０≦Ｙ≦２０、６５≦Ｚ≦８０、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００であり、該Ｂ層は、２５＜Ｘ≦５５、１≦Ｙ＜１０、５０≦Ｚ＜６５、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３いずれかに記載の硬質皮膜被覆部材において、該中間積層部を構成する該Ａ層と該Ｂ層は、少なくともＳｉ及びＡｌの相互拡散層であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４いずれかに記載の硬質皮膜被覆部材において、該中間積層部を構成する該Ａ層と該Ｂ層は、結晶格子が連続していることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５いずれかに記載の硬質皮膜被覆部材において、該中間積層部のＳｉ含有量が層厚方向に異なり、表層側になる程Ｓｉ含有量が多いことを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６いずれかに記載の硬質皮膜被覆部材において、該最上層の層厚さＴＴＨμｍが、０．１≦ＴＴＨ＜５、該中間積層部の層厚さＭＴＨμｍが、０．１≦ＭＴＨ＜５、該最下層の厚さ層ＢＴＨμｍが、０．０１≦ＢＴＨ＜３、であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７いずれかに記載の硬質皮膜被覆部材において、ＴＴＨ≧ＭＴＨ≧ＢＴＨ、であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８いずれかに記載の硬質皮膜被覆部材において、該最上層、該中間積層部、該最下層の夫々の硬度をＴＨＡ、ＭＨＡ、ＢＨＡとすると、ＴＨＡ≧ＭＨＡ≧ＢＨＡ、であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９いずれかに記載の硬質皮膜被覆部材において、該最上層、該中間積層部、該最下層の夫々の弾性係数をＴＥＬ、ＭＥＬ、ＢＥＬとすると、ＴＥＬ≦ＭＥＬ≦ＢＥＬ、であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０いずれかに記載の硬質皮膜被覆部材において、ナノインデンテーションによる硬度測定により求めた該最上層、該中間積層部、該最下層の夫々の弾性回復率をＴＲ、ＭＲ、ＢＲとすると、ＴＲ≧ＭＲ≧ＢＲ、であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１いずれかに記載の硬質皮膜被覆部材において、ナノインデンテーションによる硬度測定により求められる該中間積層部の弾性回復率ＭＲ％が、３０＜ＭＲ＜３８であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項１２いずれかに記載の硬質皮膜被覆部材において、該最上層は酸素を含有し、最表面から膜厚方向に１００ｎｍ以内の深さ領域で酸素濃度の最大値を有することを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１３いずれかに記載の硬質皮膜を被覆した部材において、該部材がエンドミル又はドリルであることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１４いずれかに記載の物理蒸着法により硬質皮膜を被覆した部材において、該物理蒸着法はスパッタリング法及び／又はアーク放電式イオンプレーティング法であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材の被覆方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の硬質皮膜被覆部材の被覆方法において、該硬質皮膜の被覆時に使用する金属製ターゲット材の組成は、該最上層被覆用と該最下層被覆用とが異なり、該中間積層部の被覆時は該最上層被覆用のターゲット材を装着した蒸着源と、該最下層被覆用のターゲット材を装着した蒸着源とを同時に稼動して被覆することを特徴とする硬質皮膜被覆部材の被覆方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に硬質皮膜を被覆した部材に関する。該部材としては、切削工具、金型、軸受け、ダイス、ロールなど高硬度が要求される耐摩耗工具等がある。また、該硬質皮膜の被覆方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
硬質皮膜被覆部材については、皮膜硬度、基体密着性、耐酸化性の改善を目的とした以下の特許文献１から８の技術が開示されている。
特許文献１は、Ｓｉを含有した（ＴｉＳｉ）（ＣＮ）皮膜を開示している。（ＴｉＳｉ）（ＣＮ）は極めて高硬度を有するものの、同時に硬質皮膜内の残留圧縮応力が過剰であり、被覆基体との密着性が悪く、（ＴｉＳｉ）（ＣＮ）単一層のみでは切削工具として十分な性能を示さない。
特許文献２は、金属成分のみの原子％が、Ａｌ：４０％越え７５％以下、残Ｔｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物の何れかを、母材表面直上に被覆し、その直上に高硬度を有するＳｉを含有する皮膜を被覆することにより、切削性能を改善した硬質皮膜切削工具を開示している。この改善によれば、高硬度を有するＳｉ含有硬質皮膜の剥離を低減させ切削性能は改善される。しかし、耐摩耗性を改善させるために、皮膜硬度を向上させる場合、又は高硬度を有するＳｉ含有皮膜の膜構成比率を増加させると、膜内部の残留圧縮応力の影響で、剥離が発生し易くなり、耐摩耗性を逆に低下させる結果となる。従って、皮膜構成層の１部を高硬度化しているに過ぎず、また皮膜の高硬度化にも限界があり、十分な耐摩耗性の改善には至ってはいない。
特許文献３は、Ｓｉを含有した硬質皮膜において、金属成分のみの原子％で、Ｓｉが１０％以上６０％以下、Ｂ、Ａｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの１種または２種以上で１０％未満、残りＴｉで構成される窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物のいずれかで、Ｓｉ３Ｎ４及びＳｉが独立した相として化合物中に存在せしめることにより、Ｓｉ含有皮膜の高硬度化が開示されている。
特許文献４は、Ｓｉを含有した硬質皮膜においてＳｉの含有濃度が相対的に高い結晶粒と相対的に低い結晶粒とを含有する組成偏析多結晶体で構成した事例を開示している。この改善は、Ｓｉ含有皮膜の高硬度化を追求した結果、従来硬質皮膜に比べ、高硬度化が達成されたものの、層全体としても検討が不十分であり、高硬度化に伴い剥離や異常摩耗が発生し易くなり、皮膜の高硬度化による耐摩耗性改善効果には限界がある。
特許文献５は、硬質皮膜をナノオーダーで積層する手段による皮膜の高硬度化を開示している。４ａ、５ａ、６ａ族金属元素或いはＡｌ、Ｓｉの窒化物、酸化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物の中から選んだ１つ以上の化合物と、４ａ、５ａ、６ａ族金属元素及びＡｌ、Ｓｉのうち、２種の金属元素の合金の窒化物、酸化物、炭化物、炭窒化物及び／若しくはホウ化物を積層周期０．４ｎｍ〜５０ｎｍで積層し、全体の膜厚を０．５〜１０μｍとした構成の硬質皮膜である。
特許文献６は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、およびＢから選択される１種以上の元素（第１元素）と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、およびＯから選択される１種以上の元素（第２元素）とを主成分とする化合物からなり、互いに異なる組成を有する少なくとも２種の化合物層であって、厚さ方向に元素の組成（ａｔ％）が変化する組成変調層とを含み、該化合物層と前記組織変調層とが周期的に積層されてなり、且つ、前記組成変調層において結晶格子が歪みながら連続していることを特徴とする積層体を開示している。しかし、上記の特許文献５、６に記載の技術においては、硬質皮膜の高硬度化が計られているものの、密着強度に関する対策が十分ではない。
特許文献７は、組成式：（Ｔｉ１−（Ｘ＋Ｙ）ＡｌＸ ＳｉＹ）Ｎ（但し、原子比で、Ｘは０．４０〜０．６５、Ｙ：０．０５〜０．１５）と組成式：（ＴＩ１-ＹＳｉＹ）Ｎ（但し、原子比で、Ｙ：０．０５〜０．１５）を０．０１〜０．１μｍの積層周期で積層することにより、硬質皮膜の強度及び靭性不足によるチッピングを抑制する技術を開示している。
特許文献８は、ＴｉＳｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物及び炭酸窒化物から選択された１種の化合物からなる第一の膜と、Ｔｉ、Ｃｒ及びＴｉＣｒから選択された１種の金属Ｍの窒化物、炭化物、炭窒化物、酸窒化物及び炭酸窒化物から選択された１種の化合物からなる第２の膜とを夫々１層以上交互に積層し、各層厚が夫々０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下で構成する技術を開示している。
特許文献９は、炭化タングステン基超硬合金基体または炭窒化チタン系サーメット基体の表面に、ＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層からなる硬質被覆層を０．５〜１５μｍの全体平均層厚で物理蒸着してなる表面被覆超硬合金製切削工具において、上記硬質被覆層が、層厚方向にそって、Ａｌ最高含有点とＴｉ最高含有点とが所定間隔をおいて交互に繰り返し存在し、かつ前記Ａｌ最高含有点から前記Ｔｉ最高含有点、前記Ｔｉ最高含有点から前記Ａｌ最高含有点へＡｌ及びＴｉ含有量が夫々連続的に変化する成分濃度分布構造を有し、更に、上記Ａｌ最高含有点が、組成式：（Ａｌ１−（Ｘ＋Ｚ）ＴｉＸＳｉＺ）Ｎ（但し、原子比で、Ｘは０．０５〜０．２５、Ｚは０．０５〜０．１５）、上記Ｔｉ最高含有を満足し、かつ隣り合う上記Ａｌ最高含有点とＴｉ最高含有点の間隔が、０．０１〜０．１μｍであること、点が、組成式：（Ｔｉ１−（Ｙ＋Ｚ）ＡｌＹＳｉＺ）Ｎ（但し、原子比で、Ｙは０．０５〜０．２５、Ｚは０．０５〜０．１５）とする高速重切削条件で硬質被覆層が耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具を開示している。しかし、上記の特許文献７から８に記載の手法においては、硬質皮膜間の接合強度、密着強度が十分ではなく、硬質皮膜の高硬度化にも限界があり耐摩耗性の改善が十分ではない。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１１８１０６号公報
【特許文献２】特開２０００−２１８４０７号公報
【特許文献３】特開２０００−３３４６０６号公報
【特許文献４】特開２００３−２５１１３号公報
【特許文献５】特開平７−２０５３６１号公報
【特許文献６】特許第３４１６９３８号公報
【特許文献７】特開２００３−２９１００５号公報
【特許文献８】特開２００４−４２１９２号公報
【特許文献９】特開２００４−２２３６１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、Ｓｉ含有皮膜を著しく高硬度化させても、剥離や異常摩耗が発生し難く、硬質皮膜全体の高硬度化と同時に耐剥離性に優れ、過酷な摩耗環境において、耐摩耗性の要求される部材等に最適な硬質皮膜を提供し、更にこの硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材及びその被覆方法を提供することが課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、基体に物理蒸着法により組成が異なる複数層の硬質皮膜を積層した硬質皮膜被覆部材において、該硬質皮膜は基体表面に被覆される最下層と、硬質皮膜の最表面に被覆される最上層と、該最下層と該最上層とに接する中間積層部とを有し、該最下層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂから選択される１種以上の金属元素からなる窒化物主体の硬質皮膜であり、該最上層は、金属元素のみの原子％で、Ｓｉが１０％以上、３０％以下を含有し、非金属成分として、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂの少なくとも１種以上を含有する少なくとも非晶質相を含有し、硬度が４０ＧＰａ以上、８０ＧＰａ未満の高硬度な硬質皮膜であり、該中間積層部は、金属元素としてＡｌ及びＳｉを含有し、残部Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｗから選択される１種以上の金属元素からなる窒化物、ホウ窒化物又は炭窒化物の何れかが主体の積層部であり、該積層部はＡ層とＢ層とが交互に積層され、夫々層厚方向にＡｌ含有量が、金属元素のみの原子％で、該Ａ層は、５％以上、３０％未満の層であり、該Ｂ層は、３０％以上、６０％未満の層であり、該Ａ層と該Ｂ層との層厚さは夫々０．５ｎｍ以上、２０ｎｍ未満であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材である。本構成を採用して中間積層部に高硬度を有するＳｉ含有皮膜を用いることにより、皮膜全体を高硬度化することを可能とし、同時に積層する硬質皮膜が夫々優れた密着強度を有した状態で構成される。そのため、２層間の剥離が起こり難く、高硬度を有しながら耐剥離性、耐チッピング性に優れ、異常摩耗が発生し難く、優れた耐摩耗性を発揮することができる。更に、本発明に重要な点は、高硬度を有するＳｉ含有皮膜を硬質皮膜に被覆する場合において、最適な層構造を有していることである。皮膜の剥離や異常摩耗を著しく抑制することを可能にして、優れた耐摩耗性を発揮する硬質皮膜被覆部材を提供することができる。
【０００６】
本発明の硬質皮膜を被覆した部材において、該硬質皮膜の該中間積層部の金属元素組成は、（ＡｌＸＳｉＹＭＺ）で示され、但し、ＭはＴｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｗから選択される少なくとも１種から成り、Ｘ、Ｙ、Ｚは夫々原子％を示し、該Ａ層は、５≦Ｘ＜３０、５≦Ｙ≦３０、６０≦Ｚ≦８５、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００であり、該Ｂ層は、３０≦Ｘ＜６０、１≦Ｙ≦１５、４０≦Ｚ≦７０、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００であることが好ましい。更により好ましくは、該Ａ層は、１０≦Ｘ≦２５、１０≦Ｙ≦２０、６５≦Ｚ≦８０、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００、該Ｂ層は、２５＜Ｘ≦５５、１≦Ｙ＜１０、５０≦Ｚ＜６５、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００である。また、該Ａ層と該Ｂ層とは、少なくともＳｉ及びＡｌの相互拡散層であり、結晶格子が連続していることが好ましい。更に、該中間積層部のＳｉ含有量が層厚方向に異なり、表層側になる程Ｓｉ含有量の多いことが好ましい。
本発明の硬質皮膜において、該最上層の層厚さＴＴＨμｍが、０．１≦ＴＴＨ＜５、該中間積層部の層厚さＭＴＨμｍが、０．１≦ＭＴＨ＜５、該最下層の厚さ層ＢＴＨμｍが、０．０１≦ＢＴＨ＜３、であること、更により好ましくは、ＴＴＨ≧ＭＴＨ≧ＢＴＨ、となることである。
本発明の硬質皮膜において、該最上層、該中間積層部、該最下層の夫々の硬度をＴＨＡ、ＭＨＡ、ＢＨＡとすると、ＴＨＡ≧ＭＨＡ≧ＢＨＡ、であること、また該最上層、該中間積層部、該最下層の夫々の弾性係数をＴＥＬ、ＭＥＬ、ＢＥＬとすると、ＴＥＬ≦ＭＥＬ≦ＢＥＬ、であること、ナノインデンテーションによる硬度測定により求めた該最上層、該中間積層部、該最下層の夫々の弾性回復率をＴＲ、ＭＲ、ＢＲとすると、ＴＲ≧ＭＲ≧ＢＲ、であること、更に該中間積層部の弾性回復率ＭＲ％が、３０＜ＭＲ＜３８となることが好ましい。
本発明の硬質皮膜において、該最上層は酸素を含有し、最表面から膜厚方向に１００ｎｍ以内の深さ領域で酸素濃度の最大値を有することが好ましい。本発明の硬質皮膜を被覆した部材は、エンドミル又はドリルであることが好ましい。
【０００７】
本発明の硬質皮膜被覆部材に被覆する方法は、物理蒸着法を採用し、該物理蒸着法はスパッタリング法及び／又はアーク放電式イオンプレーティング（以下、ＡＩＰと言う。）法であることが好ましい。更に好ましい被覆方法は、該硬質皮膜の被覆時に使用する金属製ターゲット材の組成が、該最上層被覆用と該最下層被覆用とで異なり、該中間積層部の被覆時は該最上層被覆用のターゲット材を装着した蒸着源と、該最下層被覆用のターゲット材を装着した蒸着源とを同時に稼動して被覆する方法を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、Ｓｉ含有皮膜を著しく高硬度化させても、剥離や異常摩耗が発生し難く、硬質皮膜全体の高硬度化と同時に耐剥離性に優れ、過酷な摩耗環境において、耐摩耗性の要求される部材等に最適な硬質皮膜を提供し、更にこの硬質皮膜を被覆した硬質皮膜被覆部材及びその被覆方法を提供することが可能となった。例えば、過酷な摩耗環境において耐摩耗性の要求される高速切削加工等の工具部材に適用した場合、硬質皮膜全体の剥離が起こり難く、高硬度を有しながら耐剥離性、耐チッピング性に優れ異常摩耗が発生し難く、優れた耐摩耗性を発揮する硬質皮膜被覆工具部材を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、硬質皮膜の層構造が重要である。図１に本発明における硬質皮膜の積層構造の概略図を示す。本発明の硬質皮膜の層構造は、基体に物理蒸着法により組成が異なる複数層の硬質皮膜を積層しており、硬質皮膜は基体表面に被覆される最下層と、硬質皮膜の最表面に被覆される最上層と、最下層と最上層とに接する中間積層部とから構成される。高硬度を有する最上層が存在しない場合には、優れた耐摩耗効果を発揮することができず、中間積層部が存在しない場合には、最上層の過剰な残留応力により、剥離や異常摩耗が発生し、同様に耐摩耗性の改善には至らない。また、最下層が存在せず、中間積層部だけしか存在しない場合、最上層の残留応力を吸収することができず、剥離や異常摩耗が先行した摩耗状態となり、耐摩耗性の改善には至らないのである。
本発明の最下層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂから選択される１種以上の金属元素からなる窒化物主体の硬質皮膜とすることが必要である。これより、最上層の応力緩和層として有効に作用することと伴に、中間積層部との密着強度に優れる。
次に、本発明の最上層は、金属元素のみの原子％で、Ｓｉが１０％以上、３０％以下を含有し、非金属成分として、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂの少なくとも１種以上を含有する少なくとも非晶質相を含有し、硬度が４０ＧＰａ以上、８０ＧＰａ未満の高硬度な硬質皮膜である。Ｓｉ含有量が１０％以上、３０％以下とし、非金属成分として、Ｎ、Ｃ、Ｏ、Ｂの少なくとも１種以上を含有する少なくとも非晶質相が存在する場合、高硬度を有する硬質皮膜が得られる。Ｓｉが１０％未満、又は３０％を超えて大きい場合、耐摩耗性を発揮するための硬度達成が不十分である。Ｓｉ含有量が本発明規定の範囲であり、非晶質相を含有する場合、皮膜が高硬度化する。最上層の皮膜硬度は、４０ＧＰａ以上、８０ＧＰａ未満であることが必要である。最上層の硬度が４０ＧＰａ未満の場合、耐摩耗性改善効果が確認できない。また硬度が８０ＧＰａ以上の場合、最下層及び中間積層部を改善しても、剥離や、剥離による異常摩耗の発生を抑制することができない。
本発明の中間積層部は、金属元素としてＡｌ及びＳｉを含有し、残部Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｗから選択される１種以上の金属元素からなる窒化物、ホウ窒化物又は炭窒化物の何れかが主体の積層部であり、この積層部はＡ層とＢ層とが交互に積層され、夫々層厚方向にＡｌ含有量が、金属元素のみの原子％で、Ａ層は、５％以上、３０％未満の層であり、Ｂ層は、３０％以上、６０％未満の層であり、Ａ層とＢ層との層厚さは夫々０．５ｎｍ以上、２０ｎｍ未満である。この条件を満たす事によって、最下層と最上層との硬度、密着性、強度のバランスが最適となる。ここで、Ａ層は、金属元素のみの原子％で、５％以上３０％未満であることが必要である。５％未満の場合、Ａ層とＢ層との密着強度が十分ではない。一方、３０％以上の場合、中間積層部の硬度が低下する傾向にあり、強度が十分でない。またＢ層は、３０％以上、６０％未満であることが必要である。３０％未満となる場合、中間積層部の皮膜硬度が低下する傾向にあり、強度が十分ではない。６０％以上となる場合、Ａ層との密着強度が十分ではない。更に、Ａ層とＢ層との各層の厚さが０．５ｎｍ以上、２０ｎｍ未満の範囲で交互に積層されることが必要である。Ａ層とＢ層とを交互に積層することにより、中間積層部が高硬度化され、最下層並びに最上層との密着強度及び硬質皮膜全体の強度のバランスが最適となる。また、中間積層部の上層側に最上層を被覆することにより、最上層の硬度が向上することも本発明において重要である。
上記に述べた様に、最下層と中間積層部とから構成される硬質皮膜を被覆することにより、この上層側に、硬度が４０ＧＰａ以上、８０ＧＰａ未満の高硬度な硬質皮膜を最上層として被覆しても、剥離や異常摩耗を著しく抑制することが可能である。
【００１０】
本発明の硬質皮膜において、中間積層部の組成は（ＡｌＸＳｉＹＭＺ）で示され、但し、ＭはＴｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｗから選択される少なくとも１種から成り、Ｘ、Ｙ、Ｚは夫々原子％を示し、Ａ層は、５≦Ｘ＜３０、５≦Ｙ≦３０、６０≦Ｚ≦８５、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００であり、Ｂ層は、３０≦Ｘ＜６０、１≦Ｙ≦１５、４０≦Ｚ≦７０、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００であることが好ましい。更により好ましくは、該Ａ層が、１０≦Ｘ≦２５、１０≦Ｙ≦２０、６５≦Ｚ≦８０、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００であり、該Ｂ層が、２５＜Ｘ≦５５、１≦Ｙ＜１０、５０≦Ｚ＜６５、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００である。上記の組成範囲に調整することにより、中間積層部が高硬度化され、Ａ層とＢ層との密着強度が優れると伴に、最下層並びに最上層との密着強度にも優れ、硬質皮膜全体の強度のバランスが最適となり好ましい。
中間積層部のＡ層とＢ層とは少なくともＳｉ及びＡｌの相互拡散層であることが好ましい。この場合、特にＡ層とＢ層との密着強度、並びに、最下層及び最上層との密着強度に優れ、中間積層部の硬度を向上させると伴に、硬質皮膜全体の強度のバランスが最適となり、中間積層部にとって特に好ましい層構造の形態である。相互拡散層としての組成は、（ＡｌＸＳｉＹＭＺ）で示され、但し、ＭはＴｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｗから選択される少なくとも１種、Ｘ、Ｙ、Ｚは夫々原子％を示し、Ａ層が、１０≦Ｘ≦２５、１０≦Ｙ≦２０、６５≦Ｚ≦８０、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００であり、Ｂ層が、２５＜Ｘ≦５５、１≦Ｙ＜１０、５０≦Ｚ＜６５、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００であることが特に好ましい。
相互拡散層の有無は、透過型電子顕微鏡による格子像観察並びに各層のエネルギー分散型Ｘ線分光（以下、ＥＤＳと言う。）分析により確認することができる。この場合、各層を構成する金属ターゲット材の組成と、Ａ層とＢ層の組成から判断することができる。またＡ層とＢ層に相互拡散が起こらない場合は、Ａ層とＢ層で固溶体を形成していない場合である。この場合、Ａ層とＢ層は格子定数が異なり、Ｘ線回折により２種の異なるピークが存在する。
本発明の硬質皮膜において、中間積層部のＡ層とＢ層の格子が連続して成長していることが好ましい。この場合、特にＡ層とＢ層との密着強度、並びに、最下層及び最上層との密着強度に優れ、中間積層部の硬度を向上させると伴に、硬質皮膜全体の強度のバランスが最適となり、中間積層部としては好ましい層構造の形態である。本構造を確認する手法としては、透過型電子顕微鏡による格子像観察により確認することができる。
中間積層部のＳｉ含有量が層厚方向に異なり、表層側になるＳｉ含有量の多いことが好ましい。本構成により、中間積層部の密着強度、硬度並びに強度が傾斜化され、その結果として、硬質皮膜全体の密着強度、硬度並びに強度が傾斜化され、耐摩耗性を改善することができるので好ましい。
【００１１】
本発明の硬質皮膜において、最上層のＴＴＨμｍが、０．１≦ＴＴＨ＜５、であることが好ましい。最上層が０．１μｍ未満の場合、最上層の高硬度化による耐摩耗性改善効果が確認されない場合がある。一方、最上層の層厚が５μｍ以上の場合、過剰な残留応力により、硬質皮膜の剥離や異常摩耗が発生する場合があるため好ましくない。
中間積層部のＭＴＨμｍが、０．１≦ＭＴＨ＜５、であることが好ましい。中間積層部が０．１μｍ未満の場合、最上層と最下層との密着強度、硬度、強度のバランスが悪く、耐摩耗性改善効果が発揮されない場合があるため好ましくない。
最下層のＢＴＨμｍが、０．０１≦ＢＴＨ＜３、であることが好ましい。最下層が０．０１μｍ以上未満の場合、最下層の有する効果が十分に確認されないばかりではなく、耐摩耗性が安定せず、また最下層が３μｍ以上の場合、耐摩耗効果が十分に発揮されない場合があるため、好ましくない。更に、ＴＴＨ≧ＭＴＨ≧ＢＴＨ、となることがより好ましい。本構成により、本発明の効果が最大限に発揮される層構造となる。
【００１２】
本発明の硬質皮膜において、夫々の層の硬度であるＴＨＡ、ＭＨＡ、ＢＨＡが、ＴＨＡ≧ＭＨＡ≧ＢＨＡ、となることが好ましい。ここで言う硬度ＴＨＡ、ＭＨＡ、ＢＨＡは、押込み硬さのことであり、通常のビッカ−ス硬度等の測定方法に代表される塑性変形硬度と区別される。また、夫々の層の弾性係数であるＴＥＬ、ＭＥＬ、ＢＥＬが、ＴＥＬ≦ＭＥＬ≦ＢＥＬ、となることが好ましい。また、夫々の層の弾性回復率であるＴＲ、ＭＲ、ＢＲが、ＴＲ≧ＭＲ≧ＢＲ、となることが好ましい。上記の様に、皮膜硬度、弾性係数、弾性回復率などが本発明規定の関係を示す事により、密着強度、耐摩耗性、耐剥離性のバランスが最適となり、本発明の効果が得られ易く、硬質皮膜の異常摩耗に対して効果的であり、特に好ましい層構造である。更にＭＲ％が、３０＜ＭＲ＜３８となることが好ましい。ＭＲが３０％以下となる場合、耐摩耗性に乏しく、一方、３８％以上となる場合、耐剥離性に乏しく異常摩耗が発生し易いためである。ここで硬度ＴＨＡ、ＭＨＡ、ＢＨＡ、弾性係数ＴＥＬ、ＭＥＬ、ＢＥＬ、の測定方法は、ナノインデンテーションによる硬度測定法により求められる。また、弾性回復率は１００−［（接触深さ）／（最大荷重時の最大変位量）］により求められる。接触深さ及び最大荷重時の最大変位量はナノインデンテーション法により求められる（Ｗ．Ｃ．Ｏｌｉｖｅｒａｎｄ、Ｇ．ｍ．Ｐｈａｒｒ：Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．、Ｖｏｌ．７、ＮＯ．６、Ｊｕｎｅ１９９２、ｐｐ．１５６４−１５８３）。
【００１３】
最上層は酸素を含有し、最表面から膜厚方向に１００ｎｍ以内の深さ領域で酸素濃度の最大値を有することが好ましい。これにより、硬質皮膜表面への被加工物の凝着抑制に効果的である。
本発明の硬質皮膜被覆部材において、対象部材をエンドミル又はドリルとし、これに硬質皮膜を被覆した場合、特に耐摩耗性改善効果が顕著であり、工具摩耗を著しく低減させることができるため、好ましい。
【００１４】
本発明の硬質皮膜を物理蒸着法により被覆する場合は、スパッタリング法及び／又はＡＩＰ法により被覆した硬質皮膜被覆部材は、特に硬質皮膜が高硬度で密着強度に優れ、剥離及び異常摩耗抑制に優れ、本発明の効果が得られ易い。
上記硬質皮膜をスパッタリング法及び／又はＡＩＰ法により被覆し、被覆方法において、硬質皮膜の被覆時に使用する金属製ターゲット材の組成は、最上層被覆用と最下層被覆用とが異なり、中間積層部の被覆時は最上層被覆用のターゲット材を装着した蒸着源と、最下層被覆用のターゲット材を装着した蒸着源とを同時に稼動して被覆することである。この被覆方法を採用することにより、優れた耐摩耗性を発揮することができる硬質皮膜被覆部材を得ることができる。上記被覆方法の１例として、まず最下層の被覆について、最下層構成元素からなる金属製ターゲット１による被覆を行い、次に最上層構成元素からなる金属製ターゲット２による放電を開始し、金属ターゲット１と金属ターゲット２とにより同時に中間積層部を被覆する。次に、金属ターゲット１による被覆を停止し、金属ターゲット２により最上層を被覆するのである。以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００１５】
（実施例１）
本発明の硬質皮膜の被覆には、ＡＩＰ装置を用いた。図２に装置の概略図を示し、構成並びに被覆方法を述べる。装置構成は、減圧容器３と絶縁された複数のアーク放電式蒸発源４、５、６、７、基体ホルダー８よりなる。蒸発源４から７に硬質皮膜の金属成分となるターゲット１及び２を装着し、各蒸発源に所定の電流を供給してターゲット１及び２上でアーク放電を行い、金属ターゲット成分を蒸発しイオン化させ、減圧容器３と基体ホルダー８との間に負に印加したバイアス電圧により、基体９に被覆した。基体９は回転機構１０を有しており、１回転／分から１５回転／分の範囲で回転させた。即ち、ターゲット１の前面に基体９が対向した場合にターゲット１を含有した硬質皮膜が被覆され、ターゲット２の前面に基体９が対向した場合にターゲット２を含有した硬質皮膜が被覆される。この時、夫々のターゲット材成分を含有した窒化物を形成する場合は、窒素ガスを導入しながら放電した。
本発明の硬質皮膜特性を評価するために、組成が質量％で、Ｃｏ含有量１３．５％、残りＷＣ及び不可避不純物からなる超硬合金を用いて、ＪＩＳ規格ＳＮＧＡ４３２のインサートを製作した。この基体を脱脂洗浄し、基体ホルダー８に装填した。減圧容器３に設置された加熱用ヒーターにより、基体は５５０℃に加熱され、この状態を３０分間保持することにより加熱及び脱ガス処理を行った。続いて、減圧容器３にＡｒガスを導入し、減圧容器３に設置された熱フィラメントにより、Ａｒのイオン化を行った。基体に印加したバイアス電圧により、基体をＡｒイオンによるクリーニング処理を３０分間行った。ここで、硬質皮膜への炭素、酸素、窒素、硼素成分の添加方法は、反応ガスであるＮ２ガス、ＣＨ４ガス、Ｃ２Ｈ２ガス、Ａｒガス、Ｏ２ガス、ＣＯガス等から目的の皮膜組成が得られるようにガス種を選択し、被覆工程時に減圧容器３へ導入することによって可能である。また予め金属ターゲットに添加することによっても可能である。
【００１６】
本発明例１の硬質皮膜に使用したターゲット材は、粉末法で作成した金属製ターゲットである。本発明例１は、最下層被覆用ターゲット材１として、組成が原子％で、Ａｌ５５Ｔｉ４５を、アーク放電式蒸発源４、６に装着した。最上層被覆用ターゲット材２として、Ｔｉ７５Ｓｉ２５を、アーク放電式蒸発源５、７に装着した。
第１に、ターゲット材１を装着した蒸発源に２５Ｖ、１００Ａの電力を供給し、負バイアス電圧を５０Ｖ、反応ガス圧力を４Ｐａ、被覆基体温度を５００℃とし、基体ホルダー８を３回転／分とし、基体表面に約２００ｎｍの窒化物膜を被覆した。この時のターゲット材１の組成がＡｌ５５Ｔｉ４５であるのに対し、硬質皮膜組成における金属成分の組成は、Ａｌ５２Ｔｉ４８の窒化物であった。この硬質皮膜は本発明例１の最下層である。
第２に、中間積層部を、ターゲット材１を装着した蒸発源に２５Ｖ、１００Ａの電力を供給し、ターゲット材２を装着した蒸発源に２０Ｖ、６０Ａの電力を供給した。この状態で、ターゲット材１、２を装着した全ての蒸着源を同時に稼動させ窒化膜の被覆を開始した。そして、窒化膜の成膜条件を連続的に変化させていった。即ち、ターゲット材２を装着した蒸発源に供給する電流を被覆時間の経過と伴に６０Ａから段階的に１００Ａまで増加させ、同時にターゲット材１を装着した蒸発源の電流を被覆時間の経過と伴に１００Ａから段階的に６０Ａまで変化させて被覆を行った。被覆の間は、基体にはパルスバイアス電圧を印加した。その条件は負バイアス電圧を６０Ｖ、正バイアス電圧を１０Ｖ、周波数を２０ｋＨｚ、振幅を負側に８０％、正側に２０％、とした。全圧力は６Ｐａ、基体温度は５２５℃とし、被覆基体を保持する冶具は、６回転／分で回転させ、ターゲット材１、２の２種のターゲットから放出される夫々の窒化物の中間積層部を約１３００ｎｍ被覆した。
第３に、最上層を、ターゲット材１を装着した蒸発源への電力供給を止め、成膜条件を段階的に変化させた。パルスバイアス電圧の条件は、負バイアス電圧を８０Ｖ、正バイアス電圧を０Ｖ、周波数を１０ｋＨｚ、振幅を負側に９５％、正側に５％、とした。全圧力を５Ｐａ、基体温度を５００℃、基体回転数を３回転／分に設定変更し、ターゲット材２による窒化物ベースの皮膜を約１５００ｎｍ被覆した。第１〜第３の工程により得られた試料を本発明例１とした。本発明例１による硬質皮膜の中間積層部の層厚、皮膜構造、組成、結晶構造を確認した。オージェ電子分光（以下、ＡＥＳと言う。）分析により、マクロ領域における膜厚深さ方向の組成分析と、透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと言う。）によるナノ領域の解析を行った。
ＡＥＳ分析によるマクロ領域の膜厚深さ方向の組成分析方法について述べる。使用した装置は、ＰＨＩ社製６７０Ｘｉ型、走査型ＡＥＳ装置であり、加速電圧１０ｋＶ、試料電流１５ｎＡ、電子線プローブ径を０．１μｍ以下に設定し、Ａｒイオン銃により試料をエッチングしながら、マクロ領域の膜厚深さ方向の組成分析を行った。図３に、本発明例１の硬質皮膜について、ＡＥＳ分析によるマクロ領域の膜厚深さ方向の組成分析結果を示す。図３より本発明例１の硬質皮膜は、中間積層部のＳｉ含有量が層厚方向に異なり、表面側になる程Ｓｉ含有量が多くなっていることを確認した。中間積層部に約５０ｎｍから１００ｎｍの層厚で組成が異なっていることも確認できた。このような比較的大きな組成の異なる層厚の変化は、成膜装置におけるターゲット配置に影響を受けるものである。これは、皮膜の硬度等の性能を傾斜させることが可能である。このように、中間積層部に約５０ｎｍから１００ｎｍの層厚で組成が変調した層が存在する場合であっても、この組成が変調した層の中にＡ層とＢ層とから構成される０．５ｎｍ以上２０ｎｍ未満の積層部が存在すれば本発明の効果は発揮されるのである。
【００１７】
ＴＥＭによるナノ領域分析方法について説明する。組織観察に用いる試料準備の方法は、試料とダミー基板とをエポキシ樹脂を用いて接着し、切断、補強リング接着、研磨、ディンプリング、Ａｒイオンミーリングを行った。試料厚さが原子層厚さになる領域において、組織観察、格子像観察、φ１ｎｍ程度の微小部のＥＤＳ分析、微小部の電子線回折等を行い、組成及び組織構造を決定した。中間積層部の観察位置は、層厚方向における中央付近を観察した。分析装置は、日本電子製ＪＥＭ−２０１０Ｆ型の電解放射型透過型電子顕微鏡を用い、加速電圧２００ｋＶで組織観察を行った。微小部のＥＤＳ分析には、装置付属のノーラン製ＵＴＷ型Ｓｉ（Ｌｉ）半導体検出器を用いて、ナノメートルオーダーの積層膜の組成を決定した。このとき、半値幅１ｎｍの電子プローブを使用した。微小部電子線回折は、カメラ長を５０ｃｍ、ビーム径をφ１ｎｍに収束させ、ナノメートルオーダーの積層膜の結晶構造を同定した。
【００１８】
図４及び図５に本発明例１の走査透過電子顕微鏡法（以下、ＳＴＥＭと言う。）による皮膜組織の観察像を示す。図５は、図４とは別の視野を観察したものである。ＳＴＥＭ像は、組成によるコントラストの相違が明確に現れることから、結晶構造よりも組成の影響を考察することができる。図４、図５より、本発明例１の中間積層部は、数ナノの一定周期構造が確認され、各層の厚みが１５ｎｍ未満の積層構造となっていた。具体的な積層周期は、約４ｎｍから８ｎｍであることが確認できた。図４中の分析位置１から４、及び図５中の分析位置１から８に対応した、ＥＤＳ組成分析結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】
2006137982.tif 000003
【００２０】
図４の分析位置１と３とが同一層であり、分析位置２と４とが同一層である。また図５の分析位置１から４とが同一層であり、分析位置５から８とが同一層である。表１より、図４の分析位置１と３とを含む層、及び図５の分析位置１から４を含む層が中間積層部のＡ層に相当し、図４の分析位置２と４とを含む層、及び図５の分析位置５から８を含む層がＢ層に相当している。本発明例１のＡ層のＡｌ含有量は、金属元素のみの原子％で、約１０％から２０原子％に対し、Ｂ層は、約３０％から４３％であった。ここで注目すべきは、Ａ層とＢ層とは回転機構を有した基体ホルダーに設置されているため、理論的には、ターゲット材１の前面に基体ホルダーが近付いたときに、ターゲット材１成分の窒化物が被覆され、ターゲット材２前面に基体ホルダーが近付いたときに、ターゲット材２成分の窒化物が被覆されるべきである。しかし実際には、ターゲット材１成分と、ターゲット材２成分との相互拡散層となっていたことである。これは、数ナノレベルの層厚で基体に被覆された皮膜は、次の数ナノレベル層が成膜された後、若しくはその成膜中に、層間で両金属成分による相互拡散が起こっているのである。この相互拡散による層間結合が優れた層間結合強度をもたらし、中間積層部が高硬度化を有した状態で被覆されるため、その直上に最上層となる高硬度を有するＳｉ含有皮膜を被覆することを可能にし、優れた耐摩耗性を発揮するのである。
ＥＤＳ分析は、実際には試料を透過する際にビームが広がり、Ｘ線が発生する領域は更に広がると考えられるが、結果として得られている情報は２ｎｍ未満であると考えられ、２ｎｍ以上の層厚であればＥＤＳ分析による組成定量分析は可能である。また、膜厚深さ方向の情報はすべて含まれるものと考えられるが、試料厚さが原子層厚さであることより、粒子そのものの情報であると考えられる。また、一般的に試料が薄くなると得られるＸ線のカウント数が少なくなるため、定量精度は悪くなると考えられるが、精々２％未満のバラツキ範囲であった。
【００２１】
図６は、図４と同一視野のＴＥＭによる観察像を示す。図６より、図４で確認された数ナノ層厚の界面は確認されず、更にＡ層とＢ層との界面の格子に連続性が認められた。この場合、特に高硬度で密着強度に優れた硬質皮膜が得られる。図７、図８は、図６の分析位置１及び２に対応した微小部電子線回折結果を示す。図７は図６の分析位置１、即ちＡ層に相当する位置の層微小部電子線回折結果を示す。図８は、図６の分析位置２、即ちＢ層に相当する位置の微小部電子線回折結果を示す。Ａ層及びＢ層の結晶構造は、ｆｃｃ構造であり、全く同じ結晶構造を示した。図９は、最上層のＳｉを多く含有したナノ領域の微小部電子線回折結果を示す。図９より最上層には非晶質相を含有していることを確認した。即ち、数ナノレベルで積層により、中間積層部のＳｉ含有皮膜は結晶質であり、一方、最上層のＳｉ含有皮膜は非晶質構造を示し、本質的に異なる特性を有していた。
【００２２】
本発明例１の皮膜について、最上層、中間積層部及び最下層の夫々の層のＴＨＡ、ＭＨＡ、ＢＨＡ、ＴＥＬ、ＭＥＬ、ＢＥＬ、及びＴＲ、ＭＲ、ＢＲを各１０箇所測定した。測定結果を図１０、図１１に示す。図１０及び図１１に示すように、縦軸の硬度は、ＴＨＡ≧ＭＨＡ≧ＢＨＡの関係を示した。図１０では横軸の弾性係数ＴＥＬ、ＭＥＬ、ＢＥＬは、ＴＥＬ≦ＭＥＬ≦ＢＥＬの関係を示し、図１１では横軸の弾性回復率ＴＲ、ＭＲ、ＢＲが、ＴＲ≧ＭＲ≧ＢＲの関係を示した。上記の様な場合、硬質皮膜の構造として最適である。この理由は、Ｓｉ含有皮膜の高硬度化でき、しかも、硬質皮膜の最上層として、剥離や異常摩耗を抑制する高硬度Ｓｉ含有皮膜をバランスよく被覆することが可能となるからである。
【００２３】
（実施例２）
実施例１と略同様な手法を用い、表２に示す各種ターゲット材を用いて硬質皮膜を被覆し、皮膜の評価及び、硬質皮膜を切削工具に適用した場合の評価を行った。硬質皮膜の評価結果を表３に示し、硬質皮膜を切削工具に適用した場合の評価結果を表４に示した。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
【表３】
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【００２６】
【表４】
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【００２７】
表２に示す蒸発源４、５、６、７には夫々所定の組成を有するターゲット材を装着し、図２の様に減圧容器に配置した。ここで、４と６及び５と７とは夫々対向して配置した。表３に最下層の組成、中間積層部のＡ層、Ｂ層、必要に応じて他層の組成、積層硬質皮膜の積層周期、相互拡散の有無、格子連続性の有無、最上層の組成、硬質皮膜表面から測定した硬度を示す。中間積層部の各層の組成は、実施例１と同様にＴＥＭ−ＥＤＳ分析により決定した。積層周期の確認は、ＳＴＥＭによる観察像から実測し、格子連続性はＴＥＭ格子像から確認した。硬度測定は、試料表面を平滑にするためにダイヤモンド粒子を含有したバフにより、５秒間平滑化処理したものを用い、ナノインデンテーションにより、押込み荷重４９ｍＮで１０点測定し、その平均値を記載した。最下層、最上層の組成は、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）分析、エネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＸ）分析、又は透過型電子顕微鏡付属のＥＤＳ分析、電子エネルギー損失分光（ＥＥＬＳ）分析によっても可能であり、更に、ラザフォード後方散乱（ＲＢＳ）分析法、電子分光（ＸＰＳ）分析法、ＡＥＳ分析法等の深さ方向分析により、総合的に決定することも可能である。切削寿命評価用のエンドミルは、Ｃｏ含有量が８質量％の微粒超硬合金製、径はφ１０ｍｍの２枚刃ボールエンドミルを用いた。本発明の試料の成膜条件は、特に記載がない限り、実施例１に準ずる。
【００２８】
本発明の硬質皮膜被覆部材の耐摩耗性を評価するために、主な適用例としてエンドミルの性能評価を行った。評価は切削長１９０ｍにおける最大逃げ面摩耗幅を測定した。切削条件を以下に示す。
（エンドミル性能評価条件）
工具      ：超硬合金製２枚刃ボールエンドミル
被削材    ：熱間金型鋼、ＹＸＲ３３、硬さＨＲＣ５８
工具回転数：８０００回転／分
１刃当りの送り量：０．１２５ｍｍ／刃
軸方向切込み量  ：０．２ｍｍ
ピックフィード  ：０．４ｍｍ
加工方法        ：乾式切削加工、底面切削、１方向ダウンカット
切削長          ：１９０ｍ
【００２９】
本発明例１から１４について述べる。表４に示す様に、本発明の硬質皮膜を被覆した工具は高硬度を示し、層間の密着強度に特に優れ、硬度と靭性がバランス良く構成されているため、工具の折損やチッピングが起こり難く、工具として使用した場合、格段に耐摩耗性に優れる結果となった。
本発明例１は、実施例１により作成した試料を示し、皮膜の硬度が高く、工具に適用した場合、耐摩耗性に特に優れ好ましい被覆形態である。本発明例１の様に、中間積層部の上層側に最上層を被覆することによって、高硬度を示し、耐摩耗性に優れていた。一方、従来例２６、従来例２７の様に、同一組成の最上層を被覆しても、高硬度な特性が得られず、耐摩耗性の改善は見られなかった。本発明例２は、ＡｌＣｒ系ターゲット材とＴｉＳｉ系ターゲット材を使用した場合を示す。ＴｉＡｌ系ターゲット材と同様に、耐摩耗性の改善が確認された。本発明例３は、ＡｌＣｒＳｉ系ターゲット材とＴｉＳｉ系ターゲット材を使用した場合を示す。ＴｉＡｌ系ターゲット材と同様に、耐摩耗性の改善が確認された。本発明例４は、ＡｌＣｒＳｉ系ターゲット材とＣｒＳｉ系ターゲット材を使用した場合を示す。耐摩耗性の改善が確認された。本発明例５は、蒸発源４及び蒸発源６にＡｌＴｉ系ターゲット、蒸発源５にＴｉＳｉ系ターゲット、蒸発源７にＡｌＳｉ系ターゲットを設置した場合を示す。最下層の成膜には、蒸発源４若しくは蒸発源６を用いて被覆し、中間積層部の成膜には、蒸発源５と蒸発源７とを同時に用いて被覆し、最上層の成膜には、蒸発源５を用いて被覆を行った。この場合、最上層が特に高硬度化されており、耐摩耗性が改善された。本発明例５は、ボールエンドミル以外の他の工具、例えばスクエアエンドミル、ドリルにおいても耐摩耗性の改善効果は優れていた。本発明例６、本発明例７、本発明例８は、最下層、中間積層部、最上層において夫々の膜厚の設定値が異なる場合である。何れの場合も、耐摩耗性は大幅に改善された。膜厚構成としては、特にボールエンドミルに対しては、本発明例１の膜厚設定が最も良好であった。一方、他の工具、例えばスクエアエンドミル及びドリルに関しては、本発明例８の膜厚構成が良好な耐摩耗性を示した。本発明例９は、本発明例１と同様に中間積層部のＳｉ含有量が層厚表面側方向に高くなる様に傾斜させた場合を示す。この様な処理によって最上層の硬度をより向上させることができ、耐摩耗性に特に優れていた。本発明例１０は、ＡｌＴｉ系ターゲットを装着した蒸発源をＡＩＰ法、ＴｉＳｉ系ターゲットを装着した蒸発源をスパッタリング法とし、併用した場合を示す。また本発明例１１は、蒸発源にスパッタリング蒸発源を採用した場合を示す。成膜中の減圧容器内雰囲気は、ＡｒガスとＮ２ガスの雰囲気とした。ＡｒガスとＮ２ガスとの流量比は、Ａｒを９０％、Ｎ２を１０％とし、全体の圧力を０．５Ｐａに設定した。スパッタ蒸発源には９ｋＷの電力を供給した。その他の被覆条件は、実施例１に準じた。この場合もＡＩＰ法単独の場合と同様に、優れた耐摩耗性を示した。本発明例１２は、最上層の５００ｎｍ以内の範囲に酸素を含有する場合であり、耐凝着性に優れた。また、ドリルの耐摩耗性改善効果が大きかった。本発明例１３は、最上層の硬度が６２ＧＰａの場合を示す。このような高硬度膜を被覆しても、剥離や異常摩耗の発生も確認されず、耐摩耗性に優れていた。本発明例１４は、パルスバイアス電圧の条件について、負バイアス電圧を６０Ｖから２００Ｖへ増加させ、正バイアス電圧を１０Ｖ、周波数を２０ｋＨｚ、振幅を負側に８０％、正側に２０％、とした場合を示す。この時、表面から測定した硬度が７５ＧＰａと言う更に高硬度を示した。最上層にこのような高硬度の皮膜を被覆した場合でも、皮膜の密着強度は確保され、剥離や異常摩耗の発生も確認されず、耐摩耗性に優れていた。
【００３０】
次に比較例１５から２１について述べる。比較例の被覆条件は、実施例１より適宜条件等を変更した。比較例１４は、中間積層部のＡ層、Ｂ層ともにＡｌ含有量が金属元素のみの原子％で、４０％から５０％の範囲にあり、この影響で最上層の硬質皮膜が高硬度化されず、耐摩耗効果は確認されなかった。比較例１６は、中間積層部が存在しない場合を示す。比較例１５同様に最上層の硬質皮膜の硬度を向上させることができず、耐摩耗効果は確認されなかった。比較例１７は、中間積層部の積層周期が３０ｎｍから４０ｎｍの場合を示す。最上層の硬質皮膜の硬度が不十分であり、中間積層部の層間で相互拡散が確認されないことも影響して、耐摩耗性の改善は確認されなかった。比較例１８は、最上層の硬質皮膜のＳｉ含有量が金属元素のみの原子％で３８％となった。Ｓｉ含有量が３０％を超えたため、最上層の硬度上昇が確認されず、耐摩耗性を改善するには至らなかった。比較例１９は、最上層のＳｉ含有量が金属元素のみの原子％で３％となった。Ｓｉ含有量が１０％未満となったため、耐摩耗性改善効果は確認されなかった。比較例２０は、最上層が存在しない場合を示す。最下層、中間積層部は本発明で規定する範囲内の硬質皮膜であるが、最上層が無い場合は、耐摩耗性を改善することはできない。比較例２１は、最下層が存在しない場合を示す。中間積層部、最上層は本発明で規定する範囲内の硬質皮膜であるが、最下層が無い場合は、耐摩耗性のばらつきが大きく安定した耐摩耗性を示さないため、満足のいく結果が得られなかった。
【００３１】
従来例２２から３０について述べる。従来例による被覆は、従来技術に記載された被覆条件を参考にした。従来例２２は、ＴｉＮを最下層とし、その上層側に（ＴｉＡｌ）Ｎ系皮膜を被覆した場合、従来例２３は、（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜の単一層の場合、従来例２４は、（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎ系皮膜の単一層の場合、従来例２５は（ＴｉＳｉ）Ｎ系皮膜単一層の場合を示す。切削初期に硬質皮膜の剥離が認められ、最大逃げ面摩耗幅は０．２ｍｍを超えて大きくなった。従来例２６は、（ＴｉＡｌ）Ｎ系皮膜の上層側に（ＴｉＳｉ）Ｎ系皮膜を被覆した場合を示す。（ＴｉＡｌ）Ｎ系単一層の場合に比べ、耐摩耗性が改善されているものの、最大逃げ面摩耗幅は０．１９ｍｍと大きかった。従来例２７は、（ＴｉＡｌ）Ｎ系皮膜の上層側に（ＴｉＳｉ）Ｎ系皮膜を被覆した場合を示す。自己破壊を起こさない程度に負バイアス電圧を高くし、（ＴｉＳｉ）Ｎ系皮膜の硬度を向上させた場合である。ボールエンドミルによる耐摩耗性の評価では、従来例２６に比べ、多少硬度向上の効果が確認された。従来例２８は、ＴｉＮを最下層とし、その上層側に（ＴｉＳｉ）Ｎ系皮膜と（ＴｉＣｒ）Ｎ系皮膜を積層周期５ｎｍで被覆した積層皮膜の場合、従来例２９は、（ＴｉＡｌ）Ｎ系の積層皮膜の場合、従来例３０は、（ＴｉＡｌＳｉ）Ｎ系皮膜と（ＴｉＳｉ）Ｎ系皮膜の積層膜の場合を示す。何れの場合も最大逃げ面摩耗幅は０．２ｍｍを超えて大きくなった。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明の硬質皮膜について積層構造の模式図を示す。
【図２】図２は、本発明の実施例に用いた製膜装置の概略図を示す。
【図３】図３は、本発明例１のＡＥＳ分析結果を示す。
【図４】図４は、本発明例１の中間積層部のＳＴＥＭ像を示す。
【図５】図５は、図４と別視野における中間積層部のＳＴＥＭ像を示す。
【図６】図６は、図４と同一視野における中間積層部のＴＥＭ像を示す。
【図７】図７は、図６の分析位置１に対応した微小部電子線回折結果を示す。
【図８】図８は、図６の分析位置２に対応した微小部電子線回折結果を示す。
【図９】本発明例１の最上層における微小部電子線回折結果を示す。
【図１０】図１０は、本発明例１の硬質皮膜の評価結果を示す。
【図１１】図１１は、本発明例１の硬質皮膜の評価結果を示す。
【符号の説明】
【００３３】
１：最下層被覆用のターゲット材
２：最上層被覆用のターゲット材
３：減圧容器
４：蒸発源
５：蒸発源
６：蒸発源
７：蒸発源
８：基体ホルダー
９：基体
１０：回転機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図１０】
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【図１１】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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